镗轴结构静动态分析

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本文作者：王哲元 单位：齐齐哈尔二机床（集团）有限责任公司

1引言

镗轴是数控铣镗机床中主要部件之一，也是直接承受载荷的部件。镗轴的静动态特性直接影响整个机床的精度、加工性能和产品质量。镗轴向外伸出时下垂变形问题是国内外生产数控铣镗机床厂家必须面对的主要难题，因而对镗轴现有的结构进行研究分析，对于改进与优化结构，提高整个机床的精度具有十分重要的现实意义和经济效益。本文以TK6920DA数控落地铣镗床的镗轴为研究对象，利用有限元软件ANSYS对其结构进行分析和优化。

2镗轴伸出变形有限元分析

当镗轴伸出一定长度后，由于有支撑的约束，伸出部分形成悬臂梁结构。由于自重及其它因素的影响，以及前后移动造成的受力不均、重心偏移等，会使镗轴悬伸部分产生从根部到端部的下垂弯曲变形，这种变形误差势必会引起刀具的径向跳动误差和角度摆动加大，从而直接影响被加工件的加工精度和表面质量。ANSYS有限元分析模型，采用了接近镗轴实际工作情况的支撑形式，如图1所示。

（1）在切削力条件下镗轴伸出分别考虑不同切削力方向作用下镗轴的变形，每次伸出100mm。经计算，镗轴伸出1/3时，使用全切削力，伸出1/3到2/3，使用2/3的切削力，伸出2/3以后，使用1/3的切削力。扭矩6000N•m，镗刀切削半径取150mm。轴向力5万N。经分析，最大切削力作用下镗轴各个方向最大变形量为0.6mm左右。900mm处允许的最大切削力下降，所以变形曲线趋势发生局部变化，分析结果如图2及表1所示。首先分析轴向切削力引起的镗轴自身变形。伸出从0~500mm之间，轴向变形量小于0.005mm，伸出600mm时变形量0.006mm，伸出700mm时变形量为0.009mm。伸出800mm后变形达到0.01mm。伸出900mm之后变化幅度增加，最终达到0.04mm。滑枕伸出后产生自然挠度，伸出越多挠度越大，轴向力作用下，产生的轴向变形就越大。但总体来说，镗轴自身轴向变形较小。分析切削力引起的圆周最大误差。伸出200mm最大误差在0.05mm以内。伸出300~600mm，最大误差从0.01mm增加到0.04mm。之后的误差量变化幅度提高，伸出1200mm时最大误差已经达到0.012mm。所以镗轴加工深孔要考虑增加必要的辅助支撑。

（2）在镗轴伸出1200mm、无切削力作用下，改变镗轴内孔直径的变形分析。从表2中分析结果可以得知，内孔直径65～00mm范围内，镗轴变形量范围在0.05mm，内孔直径改变对镗轴变形的影响有限。从静刚度的角度来看，镗轴内孔变化对镗轴刚度影响不大。

（3）在镗轴伸出1200mm、无切削力作用下，改变镗轴支撑位的变形分析。镗轴在铣轴内，由铣轴前后两个套筒进行支撑。分别调整前端支撑和后端支撑的长度观察镗轴最大变形量，结果如表3所示。从表中数据可以明显看出，分别改变前后支撑时，镗轴变形量在0.001mm以内。从有限元分析结果看，支撑尺寸变形对镗轴刚度影响有限。

3结论

通过对不同条件下镗轴伸出变形量的比较，得到以下结论：（1）镗轴伸出500mm范围内自重变形较小，伸出900mm之后变形加剧。（2）镗轴伸出后切削，变形量较大，必要时增加辅助支撑提高刚度。（3）镗轴支撑宽度、镗轴内孔直径变化，对镗轴静刚度影响有限。本文对镗轴结构进行了详细的静动态分析和优化设计，为镗轴精度研究提供了重要数据基础。